Água - Estrutura e Propriedades
Físico-Químicas
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om
Professor: Paulo Sérgio
Química de Alimentos 2009-2
19 /08/2009 UNIDADE II. Estudo da água.
2.1. Definição;
2.2. Propriedades físicas e mudanças de estado da água;
2.3. Estrutura da água e do gelo;
2.4. Interação água-soluto;
2.5. Miscibilidade da água;
2.6. A água nos alimentos;
- Água livre; - Água ligada; - Atividade de água (conceito,
importância, métodos de determinação); - Isotermas.
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Conceito- é a substância que se encontra em maior
quantidade no interior da célula. É considerada um solvente
universal,
compostos
atuando
orgânicos
como
e
dispersante
inorgânicos
de
das
inúmeros
células.
•Origem- quanto à origem, a água do organismo pode
ser:
Endógena - Aquela proveniente das reações químicas que
ocorrem no próprio organismo, com liberação de água.
Ex: água liberada durante a síntese de proteínas,
polissacarídeos, lipídios e ácidos nucléicos e, ainda, no final
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da respiração celular.
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Exógena
-
Aquela
proveniente
da
ingestão.
Ex: água contida nos alimentos ingeridos.
Quantidade- a taxa de água de um organismo varia em
função de três fatores básicos:
atividade de tecido ou órgão,
idade do organismo e
Espécie estudada.
•Atividade : Normalmente, quanto maior a atividade
metabólica de um tecido, maior é a taxa de água que nele se
encontra.
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Órgão
Porcentagem de água
Encéfalo de embrião
92,0%
Músculos
83,0%
Pulmões
70,0%
Rins
60,8%
Ossos
48,2%
Dentina
12,0%
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Idade: Geralmente, a taxa de água decresce com o
aumento da idade. Assim, um feto humano de três
meses tem 94% de água e um recém-nascido tem
aproximadamente
69%.
•Espécie: No homem, a água representa 65% do peso
do corpo; em certos fungos, 83% do peso é de água; já
nas medusas (águas-vivas) encontramos 98% de água.
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Os organismos mais "desidratados" são as sementes e
os esporos de vegetais (10 a 20% de água). Sabemos,
no entanto, que eles estão em estado de vida latente,
somente voltando à atividade se a disponibilidade de
água aumentar.
•Nota - 0 teor de água num organismo desenvolvido
não pode variar muito, sob pena de acarretar a morte.
Calcula-se que nos mamíferos uma desidratação de
mais de 10% já é fatal.
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Veremos mais tarde que os organismos terrestres, já
que estão constantemente sujeitos a perdas de água,
desenvolveram mecanismos sofisticados que reduzem
essas perdas ao mínimo.
Propriedades- a água é muito importante sob o ponto
de vista biológico, devido às suas propriedades físicoquímicas.
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Dentre
elas,
pode-se
citar:
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Calor específico: muito alto, Atua no equilíbrio da
temperatura dentro da célula, impedindo mudanças
bruscas de temperatura, que afetam o metabolismo
celular.
Poder de dissolução: muito grande. É, por isso,
considerada o solvente universal. Essa propriedade é
muito importante, pois todas as reações químicas
celulares ocorrem em solução..
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Além disso, a água é importante meio de transporte de
substâncias
dentro
e
fora
das
células.
>Tensão superficial: grande. Moléculas com cargas
aderem fortemente às moléculas de água, o que permite
a manutenção da estabilidade coloidal
Funções
•Solvente universal - Atua como dissolvente da
maioria das substâncias celulares. É o líquido em que
estão dispersas as partículas do colóide celular, que
estudaremos mais adiante. É fundamental para as
reações químicas que ocorrem no organismo.
Ex: participa das reações de hidrólise na matéria viva.
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Transporta substâncias dentro ou fora da células.
•É uma via de excreção, ou seja, arrasta para fora do
corpo as substâncias nocivas produzidas pelo indivíduo,
assim como as que estão em excesso.
•Termorregulação: é importante fator de termorregulação
dos seres vivos. 0 calor específico da água (ou seja,
número de calorias necessárias para elevar a temperatura
de 1 grama de água de 14,5'C para (15,5'C) é o valor mais
alto entre os solventes comuns, ou seja, igual a 1.
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Quanto maior o calor específico maior a
capacidade de absorver ou liberar calor sem mudar a
temperatura.
Graças a isso, a água contida nos organismos
vivos conserva, praticamente, constante a temperatura de
tais organismos em relação ao seu ambiente.
Devido a tal propriedade, provavelmente, os
oceanos terem sido o meio ideal para a origem da vida e
para a evolução das formas mais primitivas de seres
vivos.
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A água tem uma estrutura molecular simples.
Ela é composta de um átomo de oxigênio e dois
átomos de hidrogênio.
O oxigênio tem 4 pares de elétrons em torno do átomo
de oxigênio, dois deles envolvidos nas ligações covalentes
com o hidrogênio e dois pares não-compartilhados no outro
lado do átomo de oxigênio.
O átomo de oxigênio é mais "eletronegativo" que o
átomo de hidrogênio, ou seja, tem mais "afinidade" pelos
elétrons.
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A água é uma molécula "polar",
A habilidade dos íons e de certas moléculas de se
dissolver na água é devida à polaridade. Ex.:
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Várias propriedades peculiares da água são devidas
às pontes de hidrogênio.
Ex.:O gelo flutua as ligações hidrogênio mantêm as
moléculas de água mais afastadas no sólido do que no
líquido, onde há uma ligação hidrogênio a menos por
molécula;
Elevado calor de vaporização;
Uma forte tensão superficial;
Um alto calor específico e
Propriedades solventes quase universais.
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O efeito hidrofóbico, ou seja, a exclusão de
compostos contendo carbono e hidrogênio (compostos
apolares), é outra propriedade da água causada pelas
ligações hidrogênio.
Obs.: O efeito hidrofóbico é particularmente
importante na formação das membranas celulares.
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Água
• Características
• Abundância
• Importância em seres vivos
• Propriedades comuns
• cor,odor,sabor,estado físico
• Propriedades Incomuns
• Pontos de fusão, ebulição, calor específico
• Produtos de ionização
• Solvente
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Água
• Interação entre as moléculas
• Pontes de hidrogênio
• Interações eletrostáticas
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Água
Propriedades
• Interação com solutos
Carregados; Cristalinos ; Apolares
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Água
Propriedades
• Interação com solutos
• Anfipáticos
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Água
Ionização
• Constante de equilíbrio
Produto iônico da água
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A B  C  D
K
eq

[C ][D ]
[ A][B ]
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Autodissociação da água e a escala de pH.
O poder solvente da água exerce um papel
fundamental nos processos biológicos devido as suas
propriedades ácido-base.
O grau de dissociação da água em íons hidrogênio
(H+) e hidroxila (OH-) é determinante das propriedades
ácido-base nos sistemas biológicos.
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O comportamento bioquímico de muitos compostos depende
de suas propriedades ácido-básicas.
Arrhenius.  ácido - libera H+ e base – libera - OH Lowry-Brönsted
 base - receptor de próton – :NH3 [
(CH3)- >(NH2)- > HO- > NH3 > HS- > F- ]
ácido - doador de próton.
[CH4 < NH3 < H2O < NH4+ < H2S < HF < HCl ]
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Lewis  ácido - aceita par de elétrons - espécies com
orbitais de valência vazios;
base – doador de par de elétrons – espécies com elétrons
de valência não ligantes
pH
pH
suco de limão
2,2 – 2,4
urina humana
4,8 – 8,4
vinho
2,8 – 3,8
leite de vaca
6,3 – 6,6
vinagre
3,0
saliva humana
6,5 – 7,5
suco de tomate
3,5
água potável
6,5 – 8,0
cerveja
4–5
sangue humano
7,3 – 7,5
queijo
4,8 – 6,4
água do mar
8,3
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Água
• Escala de pH
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Ionização
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Água
Ionização
• Constantes de dissociação
• Curvas de titulação
• Conceito de pK
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TAMPÕES
Uma solução tampão é formada por um ácido fraco
e sua base conjugada ou vice-versa.
HA + A- = Tampão  a adição de pequenas
quantidades de H+ serão neutralizadas por A- e ou de OHpelo H+ do HA, mantendo o pH constante.
[A-]/[HA] = 10 a [A-]/[HA] = 0,1 o tampão funcionará.
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Em termos de pH e pKa temos:
pH = pKa + 1 a pH = pKa – 1,
é o intervalo denominado faixa tamponamento do par ácido
fraco-base conjugada.
Para CH3COOH, o pKa é 4,74. A faixa tamponante é
de 3,74 a 5,74.
O poder tamponante vai depender das concentrações
do par ácido-base conjugada.
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Se tem concentração relativa próxima às variações
(adição de H+ ou OH-) que o tampão poderá sofre, este não
funcionará. Por tanto, um tampão deverá ter concentrações
relativas do par ácido-base conjugada, pelo menos 10 vezes
maior que as variações que poderá sofrer.
Se a concentração do ácido (doador de prótons) for
igual à sua base conjugada, o pH resultante do tampão será
igual ao pKa.
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[H+] = Ka [A-]base conjugada /[HA]ácido fraco,
terá a mesma eficiência de neutralização de ácido ou base.
Se a concentração do ácido for maior, o pH do tampão
será menor que o pKa e será mais eficiente para
neutralização de base.
Se a concentração do ácido for menor, o pH do tampão
será maior que o pKa e será mais eficiente para neutralização
de ácido.
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Água
Tampões
• Faixa de tamponamento
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Água
Tampões
• Tampões de importância biológica
• Proteínas
• Sistema bicarbonato
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Atividade de Água vs Umidade
Umidade - Valor quantitativo de água em uma
amostra em base seca ou base úmida. Depende da
quantidade de amostra.
Atividade de Água - Medida do estado de energia
da água em um sistema (Qualitativo). Não depende da
quantidade de material.
Atividade de Água fornece informação sobre:
• Crescimento microbiano;
• Migração da Água
• Estabilidade Química e Bioquímica
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Propriedades de ligação da água
• Efeitos coligativos ou interação de solutos
• Efeito matricial ou interação de superfície
• Efeitos capilares
A combinação destes fatores no alimento reduz a
energia de sua água em comparação com a água pura.
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Atividade de água - Limite de solubilidade para solutos comuns
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Atividade de água de soluções de NaCl a 25°C
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aa limite para crescimento microbiano
• Leveduras osmóticas ~ 0.60
•Levedura ~ 0.88
• Bolores ~ 0.70
• Bactéria ~ 0.91
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Estabilidade química e bioquímica
• Escurecimento não enzímico
• Oxidação lipídica
• Degradação de nutrientes
• Reações enzímicas
aa influencia velocidades de reações:
Água atua como:
• solvente;
• reagente
• modifica a mobilidade dos reagentes (viscosidade)
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Escurecimento não enzimíco
• Reações de Maillard: complexa
série de reações.
• Forma componentes heterocíclicos
nitrogenados com cor
• Perda máxima de nitrogênio amino
ocorre a aa 0.65-0.70
• Perda reduzida a alta e baixa aa
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O excesso de umidade nos grãos representa um dos
fatores que resultam na perda do produto, devido à sua
associação a outros, como temperatura e o próprio grão,
proporcionando substrato ideal à proliferação microbiana.
Os macro e micro nutrientes, que compõem os
produtos destinados à alimentação humana e animal,
dependem da presença de água, que confere textura,
disponibilidade orgânica, palatabilidade, estabilidade e
maior peso. Entretanto, esta água pode ser o principal fator
intrínseco
na
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decomposição do produto.
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A melhor medida da concentração de água, em termos de
propriedades físico-químicas, nos produtos, refere-se à
medição de sua atividade (aa), ou seja, medição do teor
de água livre no produto. A água pode ocorrer como água
ligada e água livre, resultando em conteúdo total de água
(umidade). Podendo-se apresentar-se intimamente ligada
às moléculas constituintes do produto, não podendo ser
removida ou utilizada para qualquer tipo de reação, onde
o metabolismo dos microorganismos é paralisado, não
havendo desenvolvimento ou reprodução;
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ou pode encontrar-se livre, estando disponível
para as reações físicas (evaporação), químicas
(escurecimento) e microbiológicas, tornando-se a
principal responsável pela deterioração do produto. A
velocidade das reações químicas, desejáveis ou não,
depende da mobilidade e concentração dos compostos
e enzimas envolvidos, que são conferidas pela
quantidade de água livre.
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A determinação da atividade de água, permite a
inibição da reprodução microbiana, reações
enzimáticas, oxidativas e hidrolíticas do produto,
assegurando embalagem e condições de
armazenamento adequados, valorizando o produto,
economicamente. O produto com atividade de água
estabelecida pode apresentar maior qualidade e
rendimento, melhor preservação e tempo de vida
determinado com maior rigor.
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A diferença entre umidade e presença de atividade de
água num produto pode ser evidenciada através de uma
força motriz, presente no produto, que proporciona o
transporte da água livre de um ponto de atividade de água
mais intensa, para outro ponto em que a atividade de água
seja reduzida,
O comportamento microbiano frente à aa é
extremamente variável, sendo que as bactérias são mais
exigentes, quanto à disponibilidade de água livre, em relação
aos fungos e leveduras.
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Os substratos com aa inferior a 0,600 estão
assegurados quanto à contaminação microbiana.
Alimentos com alto teor de lipídeos, que apresentam
atividade de água na faixa de 0,300 a 0,400 são mais
estáveis à oxidação química e microbiana.
A partir de aa 0,650 começa a ocorrer a proliferação
de microrganismos específicos, sendo que, até aa 0,750,
somente algumas bactérias halofílicas (de desenvolvimento
em terrenos salgados), leveduras osmofílicas e fungos
xerofílicos
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Paulo Sérgio (de
desenvolvimento em ambientes
secos)
podem
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